L'essentiel à connaître
L'énergie traverse toujours quatre fonctions, dans cet ordre : alimenter, distribuer, convertir, transmettre. Sur une trottinette électrique à courroie, la batterie alimente, le variateur commandé par la poignée d'accélérateur distribue, le moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique et la courroie transmet le mouvement à la roue. Pour classer un composant, demande-toi ce qu'il fait à l'énergie : la fournir, la laisser passer, changer sa forme ou l'acheminer.
Le préactionneur distribue (contacteur, variateur, distributeur pneumatique) : il laisse passer l'énergie sur ordre de la chaîne d'information, celle qui acquiert des informations par ses capteurs, les traite et communique. L'actionneur convertit (moteur, vérin, résistance chauffante). Le transmetteur (engrenages, poulies et courroie, vis-écrou qui change une rotation en translation) amène le mouvement jusqu'à l'effecteur, la pièce qui agit, sans changer la forme de l'énergie. En pneumatique, c'est le compresseur qui alimente.
Le programme de sciences de l'ingénieur du lycée dit plutôt « chaîne de puissance », et « modulation » là où l'on dit « distribuer ». Il caractérise la puissance par le produit d'un effort (tension, couple, force, pression) par un flux (intensité, vitesse angulaire, vitesse, débit). Chaque maillon en perd une partie, surtout en chaleur : le rendement mesure ce qui reste. Un réducteur, souvent fait d'engrenages, diminue la vitesse de rotation et augmente le couple, l'effort qui fait tourner.
Formules : $P = U \times I$ en électricité, $P = C \times \omega$ en rotation, $P = F \times v$ en translation, avec $P$ en watts, $C$ en $\text{N}\cdot\text{m}$ et $\omega$ en rad/s. Depuis une vitesse $N$ en tr/min : $\omega = \dfrac{2\pi N}{60}$. Rendement : $\eta = \dfrac{P_u}{P_a}$ (puissance utile sur puissance absorbée), toujours inférieur à 1.
À retenir : le rendement global est le produit des rendements, $\eta = \eta_1 \times \eta_2 \times \eta_3$, jamais leur somme ni leur moyenne. Un réducteur qui divise la vitesse par $k$ multiplie le couple par $k \times \eta$ : il échange de la vitesse contre du couple, sans créer de puissance.
Quiz : teste tes connaissances
Les questions montent en difficulté, et les trois dernières sont les plus piégeuses : pose tes calculs.
Question 1 : Dans quel ordre l'énergie traverse-t-elle les quatre fonctions ?
Réponse : C. On fournit l'énergie, le préactionneur la laisse passer, l'actionneur change sa forme, puis le transmetteur l'amène à l'effecteur. Le piège A met convertir avant distribuer : or le préactionneur commande l'énergie avant qu'elle n'atteigne le moteur.
Question 2 : Sur une trottinette électrique, quel composant réalise la fonction « alimenter » ?
Réponse : A. La batterie stocke l'énergie électrique et la fournit à toute la chaîne. Le variateur (C) vient juste après : il dose l'énergie envoyée au moteur, c'est la fonction distribuer.
Question 3 : Dans un système pneumatique, quel composant est le préactionneur ?
Réponse : D. Le distributeur laisse passer l'air comprimé vers le vérin quand la chaîne d'information le commande. Le vérin (A) vient après lui : c'est l'actionneur, qui convertit l'énergie de l'air comprimé en mouvement.
Question 4 : Dans un grille-pain, quelle fonction réalise la résistance chauffante ?
Réponse : B. Elle change l'énergie électrique en énergie thermique : c'est l'actionneur. Le piège est « transmettre » (D), parce qu'elle chauffe le pain ; mais un transmetteur achemine l'énergie sans changer sa forme.
Question 5 : Un capteur de fin de course signale qu'une porte est ouverte. Où le places-tu ?
Réponse : A. Un capteur prélève une information sur le système : c'est la fonction acquérir de la chaîne d'information. Le piège C le confond avec un préactionneur, mais il ne laisse passer aucune puissance vers l'actionneur.
Question 6 : Dans un vérin électrique, un moteur fait tourner une vis et l'écrou avance. Quelle transformation réalise ce système vis-écrou ?
Réponse : D. La vis tourne et l'écrou, empêché de tourner, avance en ligne droite. Le piège B inverse le sens : l'entrée est la rotation du moteur, la sortie le déplacement de l'écrou.
Question 7 : Sur une trottinette électrique à courroie, entre quels éléments se place la courroie ?
Réponse : C. La courroie amène l'énergie mécanique du moteur jusqu'à la roue, l'effecteur. Le piège B la place avant le moteur : à cet endroit, l'énergie est encore électrique et passe par des câbles.
Question 8 : Quelle formule donne la puissance mécanique d'un arbre en rotation ?
Réponse : B. En rotation, l'effort est le couple $C$ et le flux la vitesse angulaire $\omega$ : avec $C$ en $\text{N}\cdot\text{m}$ et $\omega$ en rad/s, $P$ sort en watts. $P = F \times v$ (A) est juste aussi, mais pour une translation.
Question 9 : Un moteur alimenté sous $U = 24\ \text{V}$ absorbe $I = 5\ \text{A}$ et fournit $96\ \text{W}$ sur son arbre. Quel est son rendement ?
Réponse : A. Il absorbe $P_a = U \times I = 24 \times 5 = 120\ \text{W}$, donc $\eta = \dfrac{96}{120} = 0,8$. Le piège B divise dans le mauvais sens : la puissance utile va au numérateur, et un rendement reste inférieur à 1.
Question 10 : Une chaîne comporte un variateur ($\eta_1 = 0,95$), un moteur ($\eta_2 = 0,8$) et un réducteur ($\eta_3 = 0,9$). Quel est son rendement global ?
Réponse : C. Les rendements se multiplient : $\eta = 0,95 \times 0,8 \times 0,9 = 0,684$. Le piège A fait leur moyenne : or chaque maillon perd une part de ce qu'il reçoit, et ce qui est perdu en amont ne revient jamais.
Question 11 : Une puissance est le produit d'un effort par un flux. Laquelle de ces grandeurs est un flux ?
Réponse : B. Le flux est la grandeur qui circule : intensité, vitesse, vitesse angulaire, débit. La tension (A) est l'effort de la puissance électrique $P = U \times I$, comme le couple en rotation et la pression en pneumatique.
Question 12 : Un réducteur divise la vitesse de rotation par 4. Que deviennent le couple et la puissance en sortie ?
Réponse : D. Le réducteur ne crée pas de puissance, il en perd un peu : comme $P = C \times \omega$, diviser $\omega$ par 4 multiplie le couple par $4 \times \eta$, un peu moins de 4. Le piège A oublie qu'on échange de la vitesse contre du couple, sans rien gagner en puissance.
Question 13 : Un moteur de rendement $\eta = 0,75$ doit fournir $600\ \text{W}$ sur son arbre. Quelle puissance doit-il absorber ?
Réponse : D. De $\eta = \dfrac{P_u}{P_a}$, on tire $P_a = \dfrac{P_u}{\eta} = \dfrac{600}{0,75} = 800\ \text{W}$. Le piège A multiplie par le rendement : le moteur absorberait alors moins qu'il ne fournit, ce qui est impossible.
Question 14 : Un moteur tourne à $N = 1\,500\ \text{tr/min}$ avec un couple $C = 2\ \text{N}\cdot\text{m}$. Quelle est sa puissance mécanique ?
Réponse : A. D'abord la conversion : $\omega = \dfrac{2\pi \times 1\,500}{60} \approx 157\ \text{rad/s}$, puis $P = C \times \omega \approx 2 \times 157 \approx 314\ \text{W}$. Le piège B multiplie le couple par les tr/min : $P = C \times \omega$ ne marche qu'avec $\omega$ en rad/s.
Question 15 : Un moteur de couple $C_e = 2\ \text{N}\cdot\text{m}$ entraîne un réducteur qui divise la vitesse par 10, avec un rendement de $0,9$. Quel couple obtient-on en sortie ?
Réponse : C. La vitesse est divisée par 10, donc le couple est multiplié par $10 \times 0,9$ : $C_s = 2 \times 10 \times 0,9 = 18\ \text{N}\cdot\text{m}$. Le piège A oublie le rendement : $20\ \text{N}\cdot\text{m}$ supposerait un réducteur sans aucune perte.
Sources
Ministère de l'Éducation nationale et de la Jeunesse, programme de sciences de l'ingénieur de première et terminale générales, annexe publiée au Bulletin officiel.